微粒捕集器噴油助燃再生旋流燃燒器流場特性研究*

何 勇，黃雅蘭

（邵陽學(xué)院機械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000）

0 前言

柴油機微粒捕集器簡稱DPF（Diesel Particulate Filter,DPF）。從20世紀70年代開始，國外學(xué)者針對柴油機排氣中的大量微粒對DPF 的研制開發(fā)展開研究，到如今DPF是世界上公認降低柴油機PM排放最有效、技術(shù)相對成熟的后處理裝置之一，性能良好的DPF對排氣中PM的過濾效率可達95%[1]，現(xiàn)在已逐漸成為滿足排放法規(guī)要求的必要技術(shù)配置。在一系列再生技術(shù)中，噴油助燃再生這一主動再生技術(shù)，再生燃燒器通過燃料供給系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)適時噴射一定量的燃油，伴隨供氣系統(tǒng)提供充足的空氣以及點火系統(tǒng)將其點燃，燃燒器便會均勻產(chǎn)生相應(yīng)的含氧燃氣，引發(fā)過濾體內(nèi)的微粒燃燒[2]。噴油助燃再生技術(shù)采用與柴油機一樣的燃料，取用便利，燃料供給系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，再生窗口較寬，燃料燃燒后能量利用率高、響應(yīng)速度快，再生時間極短且再生效率高[3]。但噴油助燃再生的燃燒過程與組織具有一定的難度，燃燒器在冷啟動時會由于燃燒不理想引起二次污染，不僅要讓過濾體內(nèi)積聚的微?？焖偾彝耆紵?，而且要保證過濾體不因過熱而損壞，這就需要在油氣比、燃油噴射的霧化質(zhì)量、火焰穩(wěn)定性等方面進行優(yōu)化與匹配[4]。

因此，在本課題組前期所設(shè)計的DPF 噴油助燃再生旋流燃燒器的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬技術(shù)，研究四種不同的直葉片安裝角度對DPF 噴油助燃再生旋流燃燒器流場特性的影響規(guī)律，為進一步優(yōu)化設(shè)計旋流燃燒器提供了依據(jù)。

1 計算模型介紹

1.1 旋流燃燒器的物理模型

本文中所研究的DPF 噴油助燃再生的旋流燃燒器，其主要由油氣混合室、燃燒室、捕集體段以及總排氣出口段四個部分組成。所設(shè)計的旋流燃燒器采用的結(jié)構(gòu)形式為軸流式，在其噴油嘴前端設(shè)計安裝旋流直葉片來進行供風(fēng)，可以確保旋流燃燒器產(chǎn)生高質(zhì)量的高速旋轉(zhuǎn)的流場，有利于促進柴油的霧化與蒸發(fā)以及油氣的充分混合，從而進一步保證其在中心軸方向形成相應(yīng)長度的回流區(qū)來增強火焰的穩(wěn)定性。

本文所設(shè)計的軸流式旋流直葉片旋流燃燒器的簡化模型如圖1 所示，圖中噴油嘴安裝孔半徑R 為12.5 mm，內(nèi)環(huán)半徑R1為31 mm，外環(huán)半徑R2為43 mm，葉片厚度δ 為2 mm，葉片寬度a 為19 mm，由于本文主要對四種不同的葉片安裝角度θ 這一結(jié)構(gòu)參數(shù)進行相關(guān)的研究，因此葉片安裝角度θ 將分別為30°、37°、45°以及50°，直葉片旋流器的長度t 為20 mm，旋流直葉片數(shù)量n為14個。

圖1 軸流式旋流直葉片旋流燃燒器的簡化模型

1.2 流體計算模型

DPF 在實際進行噴油助燃再生時，其整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性，若完全參照實際物理模型、參數(shù)來進行數(shù)值仿真計算，不論是運行參數(shù)還是結(jié)構(gòu)參數(shù)在投入實際工作時不具有固定性，為了滿足較為寬廣的再生窗口，就需要在相應(yīng)的區(qū)間內(nèi)來取值，所帶來的成本和困難性將大幅度提高。因此，有必要對所研究的模型作進一步的假設(shè)及簡化處理，以滿足工程仿真切實可行的要求。

對于假設(shè)及簡化后的流體計算模型采用網(wǎng)格劃分軟件作離散處理，因為本模型中的捕集體簡化處理為多孔介質(zhì)模型，在數(shù)值計算時會對其作參數(shù)設(shè)置，所以需對捕集體部分與燃燒室、總排氣出口部分作分割處理。出于計算成本、精度以及流體域的結(jié)構(gòu)等方面的考慮，捕集體部分用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其他部分用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，總網(wǎng)格數(shù)量約33萬，網(wǎng)格質(zhì)量都大于0.3。

1.3 計算模型與邊界條件

1.3.1 湍流模型

FLUENT 提供的湍流模型常用的有：標準k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）、k-ε模型、壓力修正k-ε模型以及大漩渦模擬模型[5]。本文中所研究的旋流燃燒器等結(jié)構(gòu)擁有復(fù)雜的流場變化與近壁面流動細節(jié)，這些特點屬于雙方程模型的典型應(yīng)用場景。Realizablek-ε模型滿足對雷諾應(yīng)力的約束條件，在雷諾應(yīng)力上可保持和實際湍流情況的相同，這是標準k-ε模型和RNGk-ε模型二者都無法實現(xiàn)的，這一優(yōu)勢在FLUENT 的計算中能夠更加精確地模擬平面或圓形射流的擴散速度，與此同時在旋轉(zhuǎn)流、帶有方向的壓強梯度的邊界層以及分離流等問題計算中其結(jié)果更加符合實際情況[6]。因此，本文中的研究將選擇采用更加適合的Realizablek-ε湍流模型。

1.3.2 入口邊界條件

本研究在設(shè)置邊界條件時選擇速度入口，對上述選擇的湍流模型需要在設(shè)置中填入湍流強度I與湍流尺度l的數(shù)值，由于當(dāng)前缺少求解湍流動能k、湍流耗散率ε的準確公式，所以需要依據(jù)近似公式（1）和（2）來進行估算。

以上兩式中：uavg代表平均流動速度；I代表湍流強度，其可以依據(jù)公式（3）進行求解；Cμ代表湍流模型內(nèi)設(shè)定的經(jīng)驗常數(shù)，一般取值為0.09；l代表湍流尺度，其可以依據(jù)公式（4）進行求解。

以上兩式中：ρ代表流體密度；v代表流體流動速率；dH代表入口管道的特征長度；μ代表空氣的動力黏度系數(shù)；L代表流動的特征長度。當(dāng)管道是標準圓形截面，且內(nèi)部流動充分發(fā)展，若dH與L相同時使用其相應(yīng)的水力直徑代替，求解公式如公式（5）所示。

式中：A代表通過流體的截面面積；lc代表過流截面上流體潤濕周長，對應(yīng)到本研究則為氣體入口截面上全部過流截面的周長。

本文主要對旋流燃燒器的流場開展研究，考慮到柴油機的排氣成分具有一定的復(fù)雜性且氣體波動較大，故將尾氣簡化處理為新鮮空氣。選取柴油機某一工況，并采集這一工況下的尾氣數(shù)據(jù)作為尾氣入口的邊界條件，所采集的數(shù)據(jù)和根據(jù)上述公式求解兩個入口的湍流強度I與湍流尺度l詳見表1。

表1 入口邊界條件

2 仿真結(jié)果與分析

針對四種不同葉片安裝角度的再生用軸流式旋流燃燒器模型，選擇合適的湍流模型，根據(jù)對應(yīng)的入口邊界條件，利用CFD 技術(shù)仿真計算了其流場，并主要分析了四種不同葉片安裝角度對中心回流區(qū)、重附著區(qū)的影響。

2.1 四種不同葉片安裝角度對中心回流區(qū)的影響

由文獻可知，對于旋流燃燒器性能指標的評價，一般常用回流區(qū)的大小和旋流強度這兩個參數(shù)來進行考察，其中，回流區(qū)的大小定義為軸向速度是負數(shù)的區(qū)域，旋流強度則定義為軸向負速率的大小[7]。圖2 為四種不同葉片安裝角度下旋流燃燒器Z＝0 平面上速度分布云圖，由圖2 可分析出，四種不同葉片安裝角度下，四種旋流燃燒器的油氣混合室在X 方向中心軸線區(qū)域都能形成一定長度的中心回流區(qū)，并且該中心回流區(qū)一直延伸至燃燒室前部，與柴油機尾氣入口處的氣流相遇。此外，從圖2 可明顯地看出，葉片安裝角度分別為45°、50°的兩種旋流燃燒器的中心回流區(qū)明顯大于葉片安裝角度分別為30°、37°的兩種旋流燃燒器的中心回流區(qū)，中心回流區(qū)可有效增強旋流燃燒器內(nèi)油氣的卷吸、混合，對于提高燃燒的火焰穩(wěn)定性、燃燒的徹底程度及減少氮氧化物的生成量起到積極的作用[8]。

圖2 四種不同葉片安裝角度下旋流燃燒器Z＝0平面上速度云圖

進一步分析圖2 可知，隨著葉片安裝角度的增大，旋流燃燒器中心回流區(qū)的回流速度整體上也在逐漸變大；葉片安裝角度不斷增大，其在中心軸線上的回流速度大體上也不斷變大。當(dāng)葉片安裝角度為30°時，最大回流速度出現(xiàn)在大約138 mm 處，為2.5 m/s；當(dāng)葉片安裝角度為37°時，最大回流速度出現(xiàn)在大約175 mm 處，為4.2 m/s；當(dāng)葉片安裝角度為45°時，最大回流速度出現(xiàn)在大約81 mm 處，為3.8 m/s；當(dāng)葉片安裝角度為50°時，最大回流速度出現(xiàn)在大約113 mm處，為4.0 m/s。葉片安裝角度由30°增大至37°時，最大回流速度也隨之變大，但葉片安裝角度由37°增大至50°時，最大回流速度呈現(xiàn)小幅度先下降再上升的趨勢，整體波動較小。

此外，伴隨著葉片安裝角度的增大，旋流燃燒器的中心回流區(qū)長度也隨之增大，整體上升趨勢逐漸平緩，對應(yīng)于四種葉片安裝角度，中心回流區(qū)長度分別為177.9 mm、194.2 mm、200.7 mm、202.9 mm。合適長度的中心回流區(qū)長度不但可以增強旋流燃燒器內(nèi)燃油與新鮮空氣在質(zhì)量、能量及動量之間的傳遞[9]，而且也可以讓燃燒室擁有適當(dāng)?shù)膶α鲹Q熱，以進一步提高旋流燃燒器的效率。

2.2 四種不同葉片安裝角度對重附著區(qū)的影響

四種不同葉片安裝角度下，四種旋流燃燒器在燃燒室突擴結(jié)構(gòu)處均能形成順時針旋轉(zhuǎn)型局部回流，這一局部漩渦回流處于燃燒器的突擴位置及貼近燃燒器壁面，通常被稱作重附著區(qū)。重附著區(qū)的存在可顯著加強燃燒室末端冷熱氣流的充分混合及穩(wěn)定性[10]，從而有利于提高再生時火焰的穩(wěn)定性。其中，重附著區(qū)長度則決定這一局部漩渦回流區(qū)的大小，重附著區(qū)長度隨著葉片安裝角度的增大而逐漸減小。

3 結(jié)束語

四種不同葉片安裝角度下，四種旋流燃燒器的油氣混合室在X 方向中心軸線區(qū)域都能形成一定長度的中心回流區(qū)，并且該中心回流區(qū)一直延伸至燃燒室前部；葉片安裝角度分別為45°、50°的兩種旋流燃燒器的中心回流區(qū)明顯大于葉片安裝角度分別為30°、37°的兩種旋流燃燒器的中心回流區(qū)；隨著葉片安裝角度的增大，旋流燃燒器的中心回流區(qū)長度也隨之增大，整體上升趨勢逐漸平緩，中心回流區(qū)的回流速度整體上也在逐漸變大；葉片安裝角度由30°增大至37°時，最大回流速度也隨之變大，但葉片安裝角度由37°增大至50°時，最大回流速度呈現(xiàn)小幅度先下降再上升的趨勢，整體波動較小。四種不同葉片安裝角度下，四種旋流燃燒器在燃燒室突擴結(jié)構(gòu)處均能形成重附著區(qū)，重附著區(qū)長度隨著葉片安裝角度的增大而逐漸減小。